高速铁路无砟轨道大跨度混合梁斜拉桥方案研究

杨海洋,李 辉,严章荣,焦亚萌,简方梁,李金凯,杨喜文

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

1 工程概况

通苏嘉甬高速铁路地跨苏浙两省，沿线主要有南通市、苏州市、嘉兴市、宁波市等4个地级城市，新建正线线路长度337.1 km，设计最高速度350 km/h，无砟轨道。望虞河大桥为跨越Ⅲ级航道申张线而设置，因跨越角度仅为43°，故主跨需采用340 m，通过前期比选，初步确定采用斜拉桥方案。

2 主要技术标准

2.1 线路标准

铁路等级：高速铁路。

正线数目：双线。

设计速度：350 km/h。

线间距：5.0 m。

轨道结构类型：无砟轨道。

2.2 温度

沿线多年平均气温17.1 ℃，极端最高气温40.8 ℃，极端最低气温-8.7 ℃，最冷月(1月)平均4.3 ℃，最热月(7月)平均29.3 ℃。

2.3 风速

多年平均风速2.6 m/s，最大风速25.0 m/s。

2.4 设计荷载

ZK活载。

2.5 地震烈度

桥址区地震基本烈度为Ⅵ度，设计水平地震基本加速度约0.06g，桥址区场地土类型属软弱土～中软土，场地类别为Ⅲ类。

3 方案介绍

望虞河大桥主桥采用主跨340 m双塔双索面混合梁斜拉桥，桥跨布置为(60+105+340+105+60) m，半漂浮体系，主桥全长671.5 m。平面位于直线上，立面包含9‰的纵坡，主桥桥式布置见图1。

图1 主桥桥式布置(单位：m)

3.1 主梁

目前跨度300 m级高速铁路无砟轨道斜拉桥主梁采用的方案包括钢箱结合梁(福厦铁路安海湾特大桥[1]，泉州湾跨海大桥[2])、钢箱混合结合梁(昌赣铁路赣江特大桥[4]，渝黔铁路太子坪乌江大桥)、钢箱桁梁(商合杭铁路裕溪河特大桥[3])3种方案。以上3种方案中，由于用钢量少的缘故，钢箱混合结合梁明显具有更好的经济性，故本桥选用钢箱混合结合梁方案。

近年来，波形钢腹板主梁逐渐得到研究者和设计者的青睐[8-16]，并已在公路斜拉桥中得到应用，但在铁路斜拉桥中仍未有应用和研究。波形钢腹板由于仅有腹板采用钢腹板，顶、底板仍为混凝土，其经济性及各项性能介于混凝土梁及结合梁之间，本文提出一种波形钢腹板方案进行探讨，初步研究波形钢腹板方案在铁路斜拉桥中的可行性。

3.1.1 方案1：钢箱混合结合梁方案

方案1为本桥设计方案，主梁采用混合梁方案，边跨及中跨距桥塔约23 m处(中跨第一根拉索及第二根拉索中间)采用混凝土主梁(图2)，中跨部分主体采用钢箱结合梁(图3)。梁体最宽处16 m，高度4.5 m，除两侧边腹板外，线路中心设置两道中腹板。

图2 混凝土梁断面(单位：cm)

图3 钢箱结合梁断面(单位：cm)

斜拉索与结合梁之间锚固采用锚拉板形式，锚拉板与结合梁边腹板焊接。

3.1.2 方案2：波形钢腹板混合梁方案

波形钢腹板混合梁方案为本文提出的探讨方案，具体为在钢箱混合结合梁方案的基础上，将钢箱结合梁部分替换为波形钢腹板主梁，混凝土主梁断面保持一致。斜拉索与结合梁之间锚固仍采用锚拉板形式，波形钢腹板与底板采用直接埋入连接，顶板通过在腹板顶面焊接翼缘板并在翼缘板上焊接连接件进行连接。

图4 波形钢腹板主梁断面(单位：cm)

拉索位置及墩顶隔板采用混凝土隔板，仅波形钢腹板部分及顶部翼缘采用钢结构。

3.2 桥塔

桥塔全高119.5 m，梁面以上塔高98 m，与主跨比为1/3.47。桥塔纵向宽度从塔顶的6 m逐步加宽到塔底的10 m。塔顶拉索锚固间距分为1.8、2.0、2.4、2.8、3.2 m 5种，采用钢锚箱进行锚固。

图5 桥塔构造(单位：m)

3.3 斜拉索

斜拉索采用标准抗拉强度1 770 MPa镀锌平行钢丝拉索，空间双索面扇形布置，全桥共60对斜拉索。边跨混凝土梁部分拉索间距10 m，中跨结合梁部分拉索间距10.5 m，中跨跨中无索区长度10 m。

3.4 墩身及基础

辅助墩及连接墩均采用圆端形实体墩，承台厚3.5 m，连接墩采用10根φ1.5 m的钻孔灌注桩，辅助墩采用15根φ1.5 m的钻孔灌注桩。

桥塔承台厚5 m，并设4 m加台，均采用30根φ2.5 m钻孔灌注桩。

4 合理结构设计参数研究

本部分对本桥斜拉索布置及钢混结合段合理位置进行研究，分析对象为钢箱混合结合梁方案。

4.1 斜拉索布置

随着斜拉索索距的减小，主梁拉索间弯矩逐渐减小。但在悬臂施工时，过小索距会增加主梁节段数，延长施工时间，且索距太密，对斜拉桥的景观也有一定影响。

4.1.1 同等拉索截面下的刚度对比

首先对所有拉索采用同等断面下的桥梁刚度进行对比分析，研究不同拉索布置的影响。

斜拉索梁上拉索间距对主梁受力及刚度均有较大影响，JTG/T 3365—01—2020《公路斜拉桥设计规范》[6]建议组合梁或钢主梁采用8～16 m，混凝土主梁采用6～12 m，统计现有主跨300 m以上的铁路组合梁斜拉桥梁上拉索间距如表1所示。

表1 现有高速铁路无砟轨道斜拉桥拉索间距

结合现有资料，对表2中3种拉索布置下的斜拉桥刚度进行对比，分析不同索间距的影响。分析中斜拉索截面均采用LPES-241，结合梁及混凝土梁结合段位于中跨与桥塔中心相距24 m位置。

表2 3种斜拉索布置方案

经计算，不同拉索间距布置下的斜拉桥各项刚度指标如表3所示。

由表3可以看出，减小索距能提高结构刚度，但由于拉索根数增加，会导致拉索用量上升。

表3 不同斜拉索布置方案下的斜拉桥刚度指标

4.1.2 同等刚度下的拉索布置对比

实际中，不同位置的拉索会采用不同规格的拉索断面，需要从拉索强度、疲劳应力及整体刚度3个方面来对拉索进行断面设计，并兼顾拉索种类不应过多。

高速铁路无砟轨道斜拉桥对主梁刚度的要求较高，一般认为静活载下中跨跨中竖向挠跨比应为1/800以下，表4统计了现有跨度300 m级无砟轨道斜拉桥刚度。且根据车桥耦合分析结果，本桥钢箱混合结合梁方案能满足行车要求，故分析中均采用该刚度指标。

表4 现有高速铁路无砟轨道斜拉桥刚度指标

本部分对不同拉索间距下的斜拉桥拉索进行优化对比分析，兼顾各方面因素，保持静活载下的中跨跨中竖向挠度略小于L/800，对比不同拉索间距下的拉索用量。仅对拉索截面进行优化，调整斜拉桥整体刚度。

经优化调整拉索截面后，统计得不同拉索布置下的拉索用量见表5，可知在主梁刚度一致时，斜拉索间距越小，总的拉索用量越少，拉索间距增大尽管减少了拉索的根数，但拉索量不断增大。

表5 等刚度时不同拉索布置下的拉索用量

分析发现，这是由于拉索对主梁刚度影响较大的区域为远离桥塔的拉索，拉索间距越小时，对拉索面积的优化调整更精准合理。

考虑到施工及拉索锚固等用钢量，本方案采用拉索布置2，结合梁段拉索间距10.5 m，混凝土段拉索间距10 m，共30对斜拉索。

4.2 钢混结合段位置分析

选取合理的钢混结合位置，是混合梁斜拉桥设计和施工中的关键性问题[7]。结合部位置决定了钢梁与混凝土梁的长度比例，对全桥结构，特别是主梁整体受力影响很大；从结合部自身局部考虑，为防止混凝土梁开裂，合理的结合部位置还应选在主梁弯矩较小的地方，此外，经济因素、施工因素也是结合部位置选取是必须要考虑的。

4.2.1 同等拉索截面下的刚度对比

本部分研究不同钢混结合段位置对桥梁刚度的影响，分析中所有拉索采用同等断面。

分别考虑钢混结合段在中跨距桥塔1～2根拉索中间、2～3根拉索中间及结合段在边跨距桥塔100 m位置3种情况。计算中拉索间距均按照拉索布置1方案考虑，即结合梁段索间距12 m，混凝土梁段索间距11 m。经计算，不同结合段位置下的斜拉桥各项刚度指标如表6所示。

表6 不同结合段位置下的斜拉桥刚度指标

整体而言，拉索截面相同时，斜拉桥刚度随混凝土梁长度的增加而增加，结合段设置在中跨部分时整体刚度明显比设置在边跨大，结合段设置在中跨距桥塔15 m和24 m时整体刚度相差不大。

表7是不同结合段位置下的结合位置梁部内力。可知，结合段位于中跨距桥塔1～2根拉索中间时，主梁的竖向弯矩较中跨距桥塔2～3根拉索中间小，但均比结合段位于边跨时大。

表7 不同结合段位置下的结合段内力

4.2.2 同等刚度下的拉索布置对比

同样，对斜拉桥整体刚度一致时的拉索用量进行对比分析。经优化调整拉索截面后，统计得不同结合段位置下的拉索用量见表8，可知在主梁刚度一致时，结合段布置在中跨位置的两种布置形式的拉索用量较为接近，结合段位于边跨时拉索用量稍小。

表8 等刚度时不同结合段位置下的拉索用量

考虑到施工难易程度及用钢量，推荐采用结合段布置在中跨，第一根拉索和第二根拉索之间。

5 方案对比分析

本部分对常用的钢箱结合混合梁方案及波形钢腹板混合梁方案进行对比分析，以期初步得到波形钢腹板的优缺点及可行性。

5.1 刚度指标

采用MIDAS CIVIL 2020建立本桥两种方案的全桥计算模型，方案1钢箱结合梁部分采用两个单元分别模拟顶板混凝土及下部钢结构槽型梁，并采用刚臂进行连接；方案2波形钢腹板截面模拟时，不考虑腹板的抗弯作用(图6，图7)。

图6 方案1计算模型

图7 方案2计算模型

表9及表10分别为两种主梁方案下竖向挠度、横向挠度及梁端转角计算结果。

表9 两种主梁方案竖向挠度

表10 两种主梁方案横向挠度及梁端转角

可知两种方案下，主梁的刚度均满足要求，方案2的整体刚度优于方案1，但由于方案2中跨较重，方案2的拉索用量较方案1重约70 t。

将方案1拉索断面修改为和方案2相同后，主梁中跨静活载下竖向挠度403.92 mm，仍大于方案2的388.05 mm，可知由于波形钢腹板断面将底板改为混凝土，其刚度优于钢箱结合梁。

5.2 内力及应力分析

主力及主加附作用下两种方案的拉索轴力及应力见表11，主力下两种方案拉索强度安全系数均大于2.5，主加附作用强度安全系数均大于2。拉索疲劳应力幅方面，方案1最大为169.58 MPa，方案2最大为154.87 MPa，两种方案拉索均满足要求。

表11 两种主梁方案拉索受力

主梁应力方面，混凝土部分拉应力均可通过施加预应力消除，钢结构应力整体处于合理范围，两种方案均可满足要求。

5.3 动力特性

表12列出了两种方案的前10阶振型周期及描述，可知方案2的周期均略大于方案1，基本增大幅度在5%以内，这是方案2的主梁重于方案1的缘故。

表12 两种主梁方案前10阶振型

5.4 主要工程量对比

两种方案桥塔及基础尺寸基本一致，本部分对结合梁部分(波形钢腹板梁部分)及拉索主要工程量进行对比，具体如表13所示。

表13 两种主梁方案主要工程量对比

可知，由于波形钢腹板梁方案将钢箱结合梁方案替换为混凝土结构，混凝土用量有所增大，但用钢量大幅减小，拉索用量增加约7%，在相同拉索用量下还具有更好的刚度，从经济性和结构刚度方面，具有一定优势。

6 结语

现有300 m级无砟轨道高速铁路斜拉桥主要有钢箱结合梁、钢箱混合结合梁、钢箱桁梁3种方案，本文基于通苏嘉甬高铁340 m主跨的望虞河大桥，论述了其总体设计方案，对其合理拉索间距及钢混结合段位置进行了研究，并提出一种波形钢腹板梁方案进行初步探讨，通过刚度、应力、动力特性及主要工程量4个方面的对比分析，论证了该方案的优缺点，主要结论如下。

(1)所有拉索采用同等断面时，减小索距能提高结构刚度，但会增加拉索用量；在主梁刚度一致时，斜拉索间距越小，总的拉索用量越少。本桥建议采用结合梁段拉索间距10.5 m，混凝土段拉索间距10 m，共30对斜拉索的拉索布置方式。

(2)拉索截面相同时，斜拉桥刚度随混凝土梁长度的增加而增加，结合段设置在中跨部分时整体刚度明显比设置在边跨大；在主梁刚度一致时，结合段布置在中跨位置的两种布置形式的拉索用量较为接近，结合段位于边跨时拉索用量稍小。考虑到施工难易程度及用钢量，推荐采用结合段布置在中跨，第一根拉索和第二根拉索之间。

(3)波形钢腹板主梁重量及刚度均大于钢箱结合梁方案，但跨度300 m级斜拉桥拉索受主梁刚度影响较大，因波形钢腹板主梁增重导致的拉索用量增幅不大；在同等拉索用量情况下，波形钢腹板方案刚度仍然占优。同时，波形钢腹板方案大幅减小了钢箱结合梁方案的用钢量，其经济性有明显优势。

(4)钢箱混合结合梁方案及波形钢腹板混合梁方案各构件整体应力均在合理范围，二者均能通过合理设计满足高速铁路斜拉桥的整体刚度及强度要求，但波形钢腹板方案尚未在铁路斜拉桥中得到应用，还需对更多细节(如节点连接和疲劳、轨道线形控制等)进行深入研究。